人字門啟閉力影響分析及Z值選取

陳景祥，楊美潔，楊 磊

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510611；2.廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 537226)

目前國(guó)內(nèi)人字門啟閉力計(jì)算多采用《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定的公式：

(1)

式中：T為人字門啟閉力；k為安全系數(shù)；R為啟閉力臂；M為總阻力矩，其計(jì)算公式：

M=M1+M2+M3+M4

(2)

式中：M1為頂樞和底樞摩擦阻力矩；M2為風(fēng)力阻力矩；M3為運(yùn)動(dòng)慣性阻力矩；M4為水位壅高阻力矩。

由式(1)可知，在啟閉機(jī)布置確定后，人字門啟閉力大小主要受總阻力矩M影響。其中摩擦阻力矩M1、風(fēng)力阻力矩M2和運(yùn)動(dòng)慣性阻力矩M3之和占總阻力矩約10%，水位壅高阻力矩M4占總阻力矩約90%[2]。人字門啟閉力大小主要受水位壅高阻力矩影響。

人字門水位壅高阻力矩M4的計(jì)算公式：

M4=0.5h2L2Z

(3)

式中：h2為門扇淹沒(méi)水深高度；L為門扇寬度；Z為人字門啟閉時(shí)門前后水壓差。Z值在規(guī)范中推薦取0.5～1.5 kPa，最大值為最小值的3倍，且規(guī)范未對(duì)Z值選取依據(jù)做出具體說(shuō)明，與此相關(guān)的文獻(xiàn)甚少。目前設(shè)計(jì)人員計(jì)算啟閉力時(shí)，多偏保守考慮而取大值，啟閉機(jī)容量富余較多，造成工程浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)一些大型船閘原型觀測(cè)結(jié)果也表明人字門工作啟閉力遠(yuǎn)小于額定啟閉力[3-5]。且人字門啟閉力選取過(guò)大，若遇到門葉阻卡事故時(shí)，還容易造成門葉和頂樞拉桿破壞[6]。

本文依托大藤峽船閘下閘首人字門數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)成果，通過(guò)定量分析啟閉力影響因素的效果，為船閘人字門啟閉力計(jì)算時(shí)Z值選取提供科學(xué)依據(jù)，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×5.8 m(有效長(zhǎng)度×有效寬度×門檻水深)。船閘下閘首人字門，門高47.50 m。最大擋水高度46.05 m，最大淹沒(méi)水深26.29 m，單扇閘門寬20.2 m，門厚3.234 m，門質(zhì)量約1 200 t，由臥式直聯(lián)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。該人字門是目前國(guó)內(nèi)最大的船閘人字門，對(duì)其啟閉力分析研究具有很強(qiáng)的借鑒意義。

2 研究思路及方法

船閘人字門啟閉過(guò)程中所受阻力及產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，影響船閘工作閘門水動(dòng)力特性的因素眾多，其中門底間隙、門龕體形和運(yùn)動(dòng)參數(shù)是最為典型的3個(gè)因素，直接影響啟閉過(guò)程在門體前后產(chǎn)生水位差，進(jìn)而影響啟閉力。

本文主要采用三維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。首先通過(guò)三維數(shù)值模擬計(jì)算，模擬計(jì)算與分析人字閘門啟閉運(yùn)行過(guò)程門體附近局部水流流態(tài)和三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究門底間隙和門龕體形對(duì)動(dòng)水阻力矩的影響，分析邊界條件改變對(duì)大藤峽船閘人字閘門水動(dòng)力特性的影響，在此基礎(chǔ)上建立物理模型研究閘門啟閉運(yùn)行方式對(duì)啟閉力的影響。

2.1 人字門啟閉流場(chǎng)分布

人字門是靜水啟閉，但水流受門體旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)為非恒定流問(wèn)題，在人字門迎水面產(chǎn)生水位壅高。通過(guò)選用彈簧光順?lè)ㄅc局部網(wǎng)格重構(gòu)法相結(jié)合的非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析。以人字閘門勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間180 s為例，實(shí)際過(guò)程啟閉必然有初期加速及后期減速階段，數(shù)值模擬時(shí)將人字門運(yùn)動(dòng)方式等價(jià)簡(jiǎn)化為1～2 s勻加速、2～179 s勻速、179～180 s勻減速3個(gè)階段，得出人字門啟閉過(guò)程中的流場(chǎng)分布[7]。

閉門初期，人字門從門龕位置開(kāi)始推動(dòng)水體，因此啟動(dòng)初期必然會(huì)導(dǎo)致門龕內(nèi)水位下降，門體前后產(chǎn)生水位差，引起門前水流通過(guò)底部、門頭及門尾位置處間隙向門內(nèi)補(bǔ)水，門底形成橫軸漩渦。補(bǔ)水水流在門后形成交匯，由于門龕體形是“窄長(zhǎng)”且閘門門頭處水流不暢，在門龕中往復(fù)振蕩形成水面波動(dòng)，流場(chǎng)分布見(jiàn)圖1a)。

隨著人字門門體關(guān)閉，水流繞過(guò)門頭同開(kāi)門階段一樣發(fā)生分離，在背離閘門運(yùn)動(dòng)方向面形成一個(gè)豎軸漩渦，當(dāng)人字門的門體和門頭離開(kāi)門龕時(shí)漩渦迅速發(fā)展，此漩渦尺寸隨著人字門的門體靠近全關(guān)位而逐漸變大，漩渦中心逐漸向全關(guān)位移動(dòng)，流場(chǎng)分布見(jiàn)圖1b)。

閉門末期，人字門運(yùn)動(dòng)推動(dòng)水體至全關(guān)位階段，門體、另一側(cè)人字門邊界及門底門檻共同作用，使閘門前水位壅高，水流受擠壓向門底、門頭及門尾處間隙流動(dòng)，此時(shí)門前水流垂向速度向下，水平流速向門體門頭及門尾兩側(cè)，受擠壓水體通過(guò)門頭處流動(dòng)方向與關(guān)門過(guò)程中形成豎軸漩渦方向一致，此水體沿閘墻流動(dòng)并與漩渦匯合。通過(guò)門尾縫隙流向閘門另一側(cè)，水體運(yùn)動(dòng)方向與漩渦旋轉(zhuǎn)方向相反，與漩渦充分能量交換后速度逐漸較小。門底、門頭及門尾處間隙流動(dòng)均形成較大的流速，流場(chǎng)分布見(jiàn)圖1c)。

圖1 關(guān)門時(shí)3個(gè)典型時(shí)刻的表面流場(chǎng)分布

啟門過(guò)程的流場(chǎng)與閉門過(guò)程流場(chǎng)壓力分布相似，方向相反。由圖1可知，人字門啟閉過(guò)程水位壅高峰值主要出現(xiàn)在人字門開(kāi)關(guān)初、末期，這與人字門啟閉力過(guò)程線呈馬鞍形分布是相吻合的。

2.2 門底間隙對(duì)啟閉力影響

根據(jù)人字門的表面流場(chǎng)分析可知，門底間隙大小影響水流通過(guò)底部的通暢與否，繞流形成的橫軸漩渦影響豎軸漩渦的長(zhǎng)度。門底間隙越大，豎軸漩渦長(zhǎng)度越短，門體運(yùn)行受力越小，在開(kāi)關(guān)門初期和末期影響尤為突出。通過(guò)數(shù)值計(jì)算門底間隙1.0、2.0、2.5和3.0 m 4個(gè)工況下人字門勻速180 s啟閉過(guò)程各階段動(dòng)水阻力矩，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同門底間隙下動(dòng)水阻力矩峰值計(jì)算值

開(kāi)門階段，當(dāng)門底間隙由1.0 m增加到2.0 m，開(kāi)門初動(dòng)水阻力矩峰值及開(kāi)門末期動(dòng)水阻力矩峰值分別下降5%、1%；由1.0 m增加到2.5 m，開(kāi)門初動(dòng)水阻力矩峰值及開(kāi)門末動(dòng)水阻力矩峰值均下降7%。以上結(jié)果說(shuō)明，門底間隙對(duì)開(kāi)門初期動(dòng)水阻力矩峰值影響較為明顯，主要是因?yàn)槿俗珠T開(kāi)門初期兩扇閘門門頭間縫隙小，若門底間隙過(guò)小，在此階段門前后水位差必然迅速增大，門前水位在此門位之前將持續(xù)壅高。當(dāng)門底間隙由2.5 m繼續(xù)增大時(shí)，阻力矩趨于平穩(wěn)，降低不明顯。

關(guān)門階段，門底間隙由1.0 m增加到2.0 m時(shí)，關(guān)門初及關(guān)門末阻力矩峰值分別下降31%、3%；由1.0 m增加到2.5 m時(shí)，關(guān)門初及關(guān)門末阻力矩峰值分別下降36%、3%；由1.0 m增加到3.0 m時(shí)，關(guān)門初及關(guān)門末阻力矩峰值分別下降39%、4%。以上結(jié)果說(shuō)明，關(guān)門初期動(dòng)水阻力矩峰值對(duì)門底間隙大小更為敏感，隨著門底間隙增大，關(guān)門初期的阻力矩峰值有明顯降低。

2.3 門龕體形對(duì)啟閉力影響

除門底間隙外，門龕本身的體形和尺寸也直接影響到人字門啟閉過(guò)程的水流流態(tài)，特別是人字門啟閉運(yùn)行初、末期的水流流暢與否，進(jìn)而影響到動(dòng)水阻力矩峰值，門龕體形和尺寸見(jiàn)圖3。為降低大藤峽船閘人字門運(yùn)行動(dòng)水阻力矩峰值，在初步設(shè)計(jì)門龕布置基礎(chǔ)上，針對(duì)門龕不同的深度，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算人字門啟閉運(yùn)行初、末期動(dòng)水阻力矩峰值，見(jiàn)表1(工況為最大淹沒(méi)水深條件下，直聯(lián)式啟閉機(jī)勻速180 s開(kāi)關(guān)門)。

圖3 門龕體形和尺寸(單位：mm)表1 人字門啟閉運(yùn)行初、末期動(dòng)水阻力矩峰值

體形方案門龕與邊墻間隙a∕mm阻力矩峰值∕(MN·m)開(kāi)門初開(kāi)門末關(guān)門初關(guān)門末11 0007.502.1412.675.8921 5007.201.2810.393.9432 0007.051.079.123.1242 5007.051.078.233.1253 0007.051.077.473.12

方案2與方案1相比，人字門運(yùn)行過(guò)程開(kāi)門初動(dòng)水阻力矩峰值降低4%，開(kāi)門末動(dòng)水阻力矩峰值降低40%；關(guān)門初動(dòng)水阻力矩峰值降低18%，關(guān)門末動(dòng)水阻力矩峰值降低33%，阻力矩峰值下降十分顯著。方案3與方案2相比，人字門運(yùn)行過(guò)程開(kāi)門初動(dòng)水阻力矩峰值降低2%，開(kāi)門末動(dòng)水阻力矩峰值降低17%；關(guān)門初動(dòng)水阻力矩峰值降低12%，關(guān)門末動(dòng)水阻力矩峰值降低21%，阻力矩峰值還是有明顯下降。隨著門龕深度進(jìn)一步加大，關(guān)門初力矩峰值有所下降，其余力矩峰值不受影響。

2.4 啟閉方式對(duì)啟閉力影響

水位壅高本質(zhì)是人字門推動(dòng)水體，門后水體來(lái)不及補(bǔ)充，從而在門體前后產(chǎn)生較大水位差。目前人字門啟閉方式主要有勻速運(yùn)行和變速運(yùn)行兩種方式。勻速運(yùn)行是啟閉機(jī)一直保持一個(gè)速度，加速和減速時(shí)間很短。變速運(yùn)行是啟閉機(jī)先從零勻加速到某一個(gè)速度，勻速運(yùn)行一段時(shí)間后再勻減速到零，見(jiàn)圖4。

圖4 兩種運(yùn)行方式的時(shí)間-速度曲線

本文物理模型比尺為1:20，按照相關(guān)規(guī)范的要求，考慮到人字閘門運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能的影響范圍，其模型制作范圍包括閘首及上、下游5倍以上閘首口門寬度的水域。人字門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)由一套動(dòng)力油源系統(tǒng)、油缸及組件(含液壓油路集成塊、管路、連接裝置、輔件等)、活塞桿、水位傳感器、壓力傳感器和角位移傳感器等部分組成。啟閉機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、油缸活塞桿、PLC控制系統(tǒng)、活塞桿內(nèi)置式磁滯伸縮位移傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)給定的各種勻速和無(wú)級(jí)變速要求。通過(guò)模型試驗(yàn)分別測(cè)得人字門在不同運(yùn)行方式啟閉力峰值(門底間隙1.5 m，門龕邊墻間隙1.5 m，淹沒(méi)水深26.29 m)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同運(yùn)行方式下的啟閉力峰值

由表2可知：

1)動(dòng)水阻力矩峰值隨著人字門勻速啟閉總時(shí)間的增大而減小，閘門角加速度與活塞桿勻速運(yùn)行的速度大小密切相關(guān)，初始角速度與角加速度與活塞桿的初始速度及加速度成正比。當(dāng)閘門勻速啟閉時(shí)間由3 min延長(zhǎng)到6 min時(shí)，開(kāi)門初、開(kāi)門末、關(guān)門初和關(guān)門末各階段的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低38%、15%、41%和29%。

2)相同啟閉時(shí)間下的勻速運(yùn)行相比，一級(jí)無(wú)級(jí)變速運(yùn)行的動(dòng)水阻力矩峰值有了明顯降低。其中3 min啟閉運(yùn)行時(shí)開(kāi)門初、開(kāi)門末、關(guān)門初和關(guān)門末各階段的動(dòng)水阻力矩峰值最大降低幅度分別為56%、23%、68%和39%；5 min啟閉運(yùn)行時(shí)開(kāi)門初、開(kāi)門末、關(guān)門初和關(guān)門末各階段的動(dòng)水阻力矩峰值最大降低幅度分別為63%、15%、62%和43%。

3)一級(jí)無(wú)級(jí)變速運(yùn)行方式人字門啟閉時(shí)間一定的條件下，動(dòng)水阻力矩峰值隨著變速時(shí)間的增大而呈現(xiàn)緩慢減小趨勢(shì)。啟閉時(shí)間為3 min變速時(shí)間由45 s延長(zhǎng)至75 s時(shí)，開(kāi)門初、開(kāi)門末、關(guān)門初和關(guān)門末各階段的動(dòng)水阻力矩峰值降幅分別為8%、3%、9%和4%；啟閉時(shí)間為5 min變速時(shí)間由60 s延長(zhǎng)至120 s時(shí)，開(kāi)門初、開(kāi)門末、關(guān)門初和關(guān)門末各階段的動(dòng)水阻力矩峰值降幅分別為17%、4%、2%和5%。

4)一級(jí)無(wú)級(jí)變速(變速時(shí)間60 s)運(yùn)行方式，人字門開(kāi)啟時(shí)間由3 min延長(zhǎng)到5 min時(shí)，開(kāi)門初、開(kāi)門末、關(guān)門初和關(guān)門末各階段的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低20%、2%、28%和23%。

2.5 Z值選取

人字門按不同布置條件和運(yùn)行方式分為以下工況：門底間隙1.0、2.0、2.5 m分別對(duì)應(yīng)工況為A1、A2、A3；門龕與邊墻間隙1.0、1.5、2.0 m分別對(duì)應(yīng)工況B1、B2、B3；勻速啟閉3、6 min與變速啟閉3 min分別對(duì)應(yīng)工況C1、C2、C3。以A1B1C1為標(biāo)準(zhǔn)工況，單因素變換對(duì)啟閉力峰值下降的影響見(jiàn)表3。

表3 單因素變換對(duì)啟閉力峰值下降的影響

假定A1B1C1組合為最不利工況，Z值按規(guī)范取大值1.5 kPa。則其余不同工況組合Z值選取原則按表3下降值折算。例如A2B2C2組合工況，先計(jì)算人字門4個(gè)時(shí)刻的折算值：開(kāi)門初為0.85 kPa，開(kāi)門末為0.76 kPa，關(guān)門初為0.50 kPa，關(guān)門末為0.69 kPa。

Z值偏安全考慮取4個(gè)折算值中的最大值，所以A2B2C2組合工況Z值取0.85 kPa。將Z=0.85 kPa代入式(1)計(jì)算大藤峽人字門啟閉力結(jié)果為1 147 kN，與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

1)門底間隙從1.0 m增加到2.5 m過(guò)程，人字門啟閉力矩成線性遞減，2.5 m后曲線趨于水平，趨于收斂，因此門底間隙合理的取值范圍1.5～2.5 m，規(guī)模小的門可適當(dāng)減小。

2)門龕邊墻間隙1.0 m增加到2.0 m，人字門啟閉力矩下降明顯，2.0 m后減小不明顯，趨于收斂，因此門龕間隙合理的取值范圍1.5～2.0 m，由于門龕間隙過(guò)大會(huì)影響水工布置，取1.5 m是比較合適的。

3)不管是采用在勻速運(yùn)行還是變速運(yùn)行，啟閉力峰值隨啟閉時(shí)間增大成線性遞減。相同的啟閉時(shí)間，變速運(yùn)行啟閉力峰值明顯小于勻速運(yùn)行啟閉力峰值，可知變速運(yùn)行能有效減小啟閉機(jī)容量。

4)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)歸納出Z值的選取方法，按照此方法能得到比較合理的Z值，提高啟閉力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5)合理布置門底間隙、門龕尺寸和選擇變速運(yùn)行方式，有利于閘門前后水體流動(dòng)順暢，在閘門啟閉過(guò)程中形成的門前后水位差則較小，相應(yīng)的門體受到的阻力也小，優(yōu)化了啟閉機(jī)容量。